델타 로봇 공학이 전자 제품 제조 공정을 최적화하고 효율화하는 방법

델타 로봇은 포장하기 위해 식품을 다루고, 용기에 담기 위해 의약품을 다루며, 조립을 위해 전자 제품을 다루는, 크기가 비교적 작은 로봇입니다. 정확하고 속도가 빨라 이러한 응용 분야에 매우 적합하며, 평행 운동 기능이 있어 빠르고 정확한 동작을 구현하는 동시에 다관절 로봇과는 전혀 다른 거미 같은 외양을 갖추고 있습니다.

그림 1: 조명 효과가 적용된 전자 제품 생산 라인에서 로봇 연결 암을 사용하는 모습. - 스톡 사진 (이미지 출처: Phuchit • Getty Images)

델타 로봇은 일반적으로(항상 그런 것은 아니지만) 천장에 장착되어 위에서 이동식 조립 및 포장 라인을 관리합니다. 이 로봇은 다관절 암을 가진 로봇에 비해 전체 작동 범위가 작고, 좁은 공간에 접근할 수 있는 능력이 매우 제한적입니다. 그럼에도 불구하고, 델타 로봇의 강성과 반복 능력은 반도체를 포함하여 섬세한 공작물을 고 정밀도로 처리하는 데 있어 중요한 자산입니다.

상황별 델타 로봇

산업용 로봇은 크게 모바일 로봇, 직렬 조작기, 병렬 조작기로 분류됩니다.

모바일 로봇에는 주로 공장과 창고 주변에서 자재를 이동하도록 프로그래밍이 된 자율 지상 차량(AGV)과 자동 지게차가 포함됩니다.

직렬 조작기로 분류되는 로봇은 고정된 베이스와 엔드 이펙터를 연결하는 동적 연결 장치를 가지고 있으며, 이러한 로봇에는 다관절 암 로봇과 직교 로봇이 있습니다. 각 연결 장치의 강성과 위치 정확도는 이전 연결 장치의 강성과 정확도에 의존하기 때문에, 직렬 조작기는 베이스에서 멀어질수록 정확도와 강성이 저하됩니다. 예외가 있긴 하지만, 이러한 형태의 한계 때문에 6축 로봇의 정확도는 밀리미터 단위의 수준에 국한되며, 새로운 위치로 빠르게 이동했다 멈춘 후에는 로봇의 엔드 이펙터가 흔들린 후 일정 시간이 지나야 안정됩니다.

델타 로봇과 동일한 응용 분야에서 널리 사용되는 직렬 조작기의 한 가지 유형은 선택적 컴플라이언스 다관절 로봇 암(Selective Compliance Articulated Robot Arm), 즉 줄여 말하면 SCARA 로봇입니다. 두 개의 회전 조인트가 양 축이 서로 평행하도록 정렬이 되어 있고, 세 번째 선형 축이 있어 기계적으로 매우 간단합니다. 두 개의 회전 조인트는 단일 평면에서 X-Y 축 포지셔닝을 제공하고 세 번째 선형 축은 Z 방향으로 동작을 제공합니다. 델타 로봇과 같은 정확성이 부족할 수 있지만, SCARA 로봇은 상대적으로 비용이 저렴하고 좁은 공간에서도 매우 빠르게 작업을 수행할 수 있습니다.

그림 2: 델타 로봇은 엔드 이펙터 끝에 있는 한 개의 강성 몸체에 3개의 평행사변형이 모두 연결된 일종의 병렬 조작기입니다. 각 평행사변형의 베이스는 로봇의 베이스를 기준으로 단일 자유도로 작동됩니다. 델타 로봇은 통상적으로 천장에 장착되어 위에서 컨베이어 또는 작업물을 관리합니다. (이미지 출처: Wikimedia Commons)

직렬 조작기와 달리 병렬 조작기로 분류되는 로봇(델타 로봇 포함)에는 엔드 이펙터와 베이스를 연결하는 여러 개의 동적 연결 장치가 있습니다. 이러한 형태는 직렬 로봇 유형보다 훨씬 더 강력하고 강성이며 가벼운 구조를 가능하게 합니다. 델타 로봇은 가볍지만 견고한 구조 덕분에 빠르게 가속하여 매우 짧은 사이클 시간을 제공합니다. 병렬 조작기의 또 다른 유형으로는 Stewart 플랫폼 또는 헥사포드가 있습니다. 이들은 최대 강성, 정확성 및 속도를 제공하며 종종 정밀 광학 응용 분야에서 실시간으로 진동을 보정합니다.

그림 3: 델타 로봇, SCARA 로봇, 모바일 로봇을 채택한 비전이 탑재된 작업 셀을 보여줍니다. 델타 로봇은 스테인리스강 소재이며 IP-67 등급입니다. (이미지 출처: KUKA)

일반적으로 델타 로봇의 각 평행사변형은 선형 작동을 통한 회전 전기 모터에 의해 구동됩니다. (Igus Drylin 계열의 저비용 델타 로봇은 덜 일반적인 선형 드라이브 구성을 사용합니다.) 평행사변형의 결합은 엔드 이펙터를 병진 운동으로만 한정시킵니다. 이로 인해 3축 직교 기계와 동일한 동작 각도가 가능하게 되지만 훨씬 더 단단하고 가벼운 구조로 되어 있습니다. 이 구성의 또 다른 장점은 구동 모터의 질량이 (일반적으로 천장에 장착된) 베이스에 위치하므로, 로봇의 모든 움직이는 부품이 수동 소자 경량 구조 요소라는 점입니다. 일부 델타 로봇은 엔드 이펙터에 직렬로 장착된 추가 로터리 축이 있어 4축, 5축 또는 6축 동작을 제공합니다.

델타 로봇의 응용 분야 개요

델타 로봇은 식품과 의약품의 포장뿐만 아니라 전자 제품 조립을 위한 픽 앤 플레이스 응용 분야에 다양하게 사용됩니다. 델타 로봇이 하나 이상의 컨베이어 또는 모바일 조립품 플랫폼을 통해 작동할 때, 물품이 컨베이어로 운반되거나 다른 방식으로 로봇의 작업 공간으로 이송됩니다. 그런 다음 비전 시스템이 부품의 정확한 위치와 방향을 식별하여 로봇이 부품을 잡거나 부품을 조작할 위치와 방법을 안내합니다.

그림 4: 이 서보모터로 구동되는 델타 로봇은 3개의 자유도(DOF)와 회전축에서 분당 200사이클로 움직입니다. 컨트롤러는 2msec의 응답 시간으로 로봇의 축을 명령하여 컨베이어 및 기타 작업과 동기화할 수 있습니다. 또 다른 델타 로봇인 Quattro는 베이스와 엔드 이펙터를 연결하는 평행사변형을 3개가 아닌 4개로 구성하여 고속에서도 높은 강성과 위치 정확도를 제공합니다. (이미지 출처: Omron Automation)

따라서 델타 로봇은 물건을 집은 다음 필요한 위치로 옮길 수 있습니다. 그런 다음, 목표하는 위치와 방향으로 물품을 내려놓을 수 있습니다. 예를 들어, 델타 로봇은 컨베이어 벨트에 무작위로 배치된 전자 부품을 선택하여, 두 번째 컨베이어 벨트를 통해 작업 셀에 제공된 회로 기판 위에 조립할 수 있습니다.

여러 대의 델타 로봇이 두 개의 평행하게 연속적으로 움직이는 컨베이어 벨트 라인을 따라 동시에 작업하며 작업 도중 픽 앤 플레이스를 수행하는 경우가 많습니다. 중앙 집중식 제어 시스템은 이러한 설비의 시스템을 조정하며, 로봇 제어 루틴 지시를 위해 머신 비전에 크게 의존합니다. 각 개별적인 픽 앤 플레이스 작업은 완료하는 데 단 몇 초밖에 걸리지 않습니다.

여러 대의 델타 로봇이 동시에 작동하기 때문에 매우 빠른 조립과 포장이 가능합니다.

전자 제품 제조에 특화된 델타 로봇의 사용

전자 제품 제조는 인쇄 회로 기판(PCB) 및 부품의 운반 및 취급, PCB 조립, 장치 조립에 델타 로봇을 사용합니다.

PCB는 비전도성 기판과 구리층으로 적층되어 있습니다. 회로 레이아웃은 일반적으로 리소그래피로 기판에 인쇄된 다음 나머지 구리층을 화학적으로 에칭하여 제거합니다. 그런 다음 비전도성 납땜 마스크를 적용하여 밀접하게 배치된 부품과 구리 트레이스 사이에 납땜 브리징이 발생하지 않도록 합니다. PCB 조립에는 스루홀 또는 표면 실장 기술(SMT) 부품을 배치한 다음 납땜하는 작업이 포함됩니다. 구형 PCB는 스루홀 부품만 사용했지만 이제는 흔하지 않습니다. 스루홀 부품은 리드가 기판의 구멍을 통해 삽입되고 기계적 강도를 높이기 위해 반대쪽에 납땜되지만, 이러한 추가 공정으로 인해 조립이 더 어려워집니다. 고도로 자동화된 대량 생산에 훨씬 더 적합한 SMT 부품이 소형 부품의 주류를 이루고 있는 것은 당연합니다. 하지만 커패시터, 변압기, 커넥터와 같은 대형 부품의 경우 여전히 일부 스루홀 실장이 필요한 경우가 종종 있습니다.

그림 5: 전자 기판은 컨베이어에 실려 조립 작업 셀을 통과합니다. (이미지 출처: Getty Images)

두 종류의 PCB 부품 장착 모두에서, 델타 로봇을 보완하는 머신 비전을 통해 기판에 설치되기 전에 부품의 변형과 방향을 확인할 수 있습니다. 높은 처리량을 위해 로봇 픽 앤 플레이스 헤드는 한 번에 여러 부품을 가공하도록 설계될 수 있습니다. 하나의 로봇 엔드 이펙터는 납땜 페이스트를 도포하고, 다른 하나는 설치된 부품을 전기적으로 연결하기 위해 열을 가할 수 있습니다. 그렇지 않으면 웨이브 납땜 기법으로 부품을 부착할 수 있지만, 이를 위한 기계는 고가이며 대량 생산에 가장 적합합니다. 삽입 기계가 처리하기에 너무 큰 부품은 반도체 기판 위에 수동으로 조립되는 경우가 많기 때문에 비용이 더 많이 듭니다. 부품 사이의 접근하기 어려운 위치에는 납땜을 수동으로 도포해야 할 수도 있습니다.

후자의 경우 델타 로봇은 수동 작업을 대체하여 더 큰 부품을 배치하고 부품 사이를 납땜할 수 있습니다.

또한 델타 로봇은 직교형의 픽 앤 플레이스 기계보다 비용이 훨씬 적게 들고 구성하기가 훨씬 쉽습니다. 직교형 로봇은 CNC 공작 기계와 마찬가지로 크고 무겁기 때문입니다. 직교형 시스템은 이동이 어렵고, 이동 후에는 비용과 시간이 많이 소요되는 재보정이 필요할 수 있습니다. 반면 델타 로봇은 꽤 자주 재배치할 수 있을 만큼 작고 가볍습니다. 새 위치에서 설정한 후 간단한 자체 보정 루틴을 실행하여 다음 작업을 재개하기만 하면 됩니다.

그림 6: 5개의 축을 통해 모든 유형의 물체 방향을 조정하는 델타 로봇도 있습니다. 여기에 표시된 IRB 365는 분당 120회의 속도로 1kg 제품을 분류, 공급, 선별, 방향 전환, 배치를 할 수 있어 높은 처리량과 효율성이 필요한 생산 시설의 요구 사항을 충족합니다. OmniCore라는 소형 델타 로봇 컨트롤러로 제어되는 이 시스템은 고성능 동작 제어, 디지털 연결 및 1,000개 이상의 프로그래밍된 기능을 제공합니다. (이미지 출처: ABB)

델타 로봇 옵션은 다양합니다. Codian Robotics는 다관절 로봇을 주로 생산하는 대부분의 산업용 로봇 제조업체와 달리, 델타 로봇만을 전문적으로 생산합니다. 이 제조업체의 델타 로봇은 1.5kg ~ 125kg의 적재 하중을 제공하여 소형 전자 부품을 훨씬 더 큰 제품에 조립할 수 있습니다. Mitsubishi Electric과의 파트너십을 통해 Codian 델타 로봇과 Mitsubishi 컨트롤러를 결합합니다.

ABB의 델타 로봇은 FlexPicker 브랜드로 생산됩니다. 현재 모델은 5축 동작을 위해 엔드 이펙터에 두 개의 보조 회전축이 직렬로 연결된 델타 로봇인 IRB 360입니다. 이 로봇은 픽 앤 플레이스 작업에 최적화된 제품입니다.

Fanuc은 두 가지 범위의 델타 로봇을 생산합니다. M 계열에는 소형 부품(주로 전자 제품)을 조립에 사용되는 소형 로봇과 대형 로봇이 포함됩니다. M 계열 로봇은 3축, 4축, 5축 구성으로 제공됩니다. DR-3iB 계열 로봇은 피킹 및 포장 작업을 위해 설계된 대형 4축 로봇으로, 최대 5.5m/sec의 동작 속도와 최대 8kg의 적재 하중을 지원합니다.

결론

델타 로봇은 전자 제품 제조를 위한 경제적이고 유연한 자동화를 제공합니다. 다른 로봇 공학 및 자동화 픽 앤 플레이스 기계보다 더 빠른 속도와 뛰어난 유연성을 제공하는 경우가 많습니다.